운반 RNA
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1. 개요
운반 RNA(tRNA)는 단백질 합성에 관여하는 작은 RNA 분자이다. tRNA는 이차 구조로 클로버 잎 모양을 가지며, 수용체 줄기, D 루프, 안티코돈 루프, 가변 루프, TψC 루프의 다섯 부분으로 구성된다. tRNA는 mRNA의 코돈과 상보적으로 결합하는 안티코돈을 가지고 있으며, 아미노산을 tRNA의 CCA 꼬리에 연결하는 아미노아실화 과정을 거친다. tRNA는 리보솜의 A, P, E 자리에 결합하여 단백질 합성에 참여하며, tRNA 유전자, tRNA 생합성, tRNA 유래 절편(tRF) 및 합성 tRNA에 대한 내용도 포함한다.
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| 운반 RNA | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | RNA |
| 기능 | 단백질 합성 시 특정 아미노산을 운반 리보솜에서 mRNA의 유전 암호 해독 |
| 구조 | |
| 특징 | 74~95개의 뉴클레오타이드로 구성 3차원 L자 형태 |
| 주요 부위 | 아미노산 부착 부위 안티코돈 부위 (anticodon loop) |
| 특이 염기 | 다이하이드로유리딘 (dihydrouridine, D) 슈도유리딘 (pseudouridine, Ψ) |
| 기능 | |
| 역할 | mRNA의 코돈에 상보적인 안티코돈을 가짐 해당 코돈에 맞는 아미노산을 리보솜으로 운반 단백질 합성 과정에서 아미노산 첨가 촉진 |
| 종류 | |
| 개수 | 세포 내 다양한 종류 존재 각 아미노산에 대응하는 tRNA 존재 |
| 유전자 | |
| 특징 | 진핵생물 tRNA 유전자의 구조와 전사 |
| 기타 | |
| 발견 | 1965년, 항체를 이용한 가용성 RNA 연구에서 발견 |
2. 구조
tRNA는 70-90개의 뉴클레오타이드로 구성된 짧은 RNA 사슬로, 일부 구간은 연결되지 않아 고리를 만들고 다른 일부 구간은 염기쌍을 형성하여 지지 구조를 이룬다. 이러한 특징 때문에 tRNA는 독특한 이차 구조와 3차 구조를 갖는다.[189] tRNA의 구조는 다음과 같이 나눌 수 있다.
| 1차 구조 | tRNA를 구성하는 뉴클레오타이드의 서열 |
|---|---|
| 이차 구조 | 염기쌍 형성을 통해 만들어지는 구조로, 클로버 잎 모양으로 묘사됨 |
| 3차 구조 | 3차원 공간에서 접혀서 만들어지는 L자형 구조 |
tRNA 분자의 각 부분의 길이와 루프의 직경은 생물 종에 따라 다를 수 있다.[6][7] 5′ 말단은 인산염기를 가진다.
2. 1. 이차 구조
tRNA는 염기쌍 형성을 통해 독특한 입체 구조를 형성하는데, 이는 일반적으로 '클로버 잎 구조'로 시각화되는 이차 구조를 갖는다.[6] 클로버 잎 구조는 5가지 주요 부분으로 구성된다.- '''수용체 줄기''': 5'-말단과 3'-말단 뉴클레오타이드가 염기쌍을 형성하여 만들어진 7~9개의 염기쌍(bp) 줄기이다. 3'-말단에는 아미노산이 결합하는 CCA(시토신-시토신-아데닌) 서열이 존재한다. 이 CCA 서열은 아미노아실 tRNA 합성효소에 의한 tRNA 인지에 중요하며, 번역 과정에서 핵심적인 역할을 한다.[9][10][11]
- '''TΨC 루프''': 슈도유리딘을 포함하는 루프를 가지는 4~5bp 줄기이다. TΨC 서열 (T는 리보티미딘)내에서 변형된 염기는 종종 발견되며, T와 A는 염기쌍을 형성한다.[13]
2. 2. 삼차 구조
tRNA의 구조는 이차 구조(일반적으로 클로버 잎 구조로 시각화됨)와 3차 구조[6]로 나눌 수 있다. 모든 tRNA는 리보솜의 P 및 A 부위에 맞도록 해주는 유사한 L자형 3D 구조를 가지고 있다. 클로버잎 구조는 나선의 동축 스태킹을 통해 3D L자형 구조가 되는데, 이는 흔한 RNA 3차 구조 모티프이다.[6] tRNA 분자의 각 팔의 길이와 루프 '직경'은 종에 따라 다르다.[6][7]
tRNA의 3차 구조는 다음과 같은 요소로 구성된다.
- '''수용체 줄기'''는 5'-말단 뉴클레오티드와 3'-말단 뉴클레오티드(아미노산을 부착하는 데 사용되는 CCA 꼬리 포함)의 염기 쌍으로 만들어진 7~9개의 염기 쌍(bp) 줄기이다. 수용체 줄기에는 비-왓슨-크릭 염기 쌍이 포함될 수 있다.[6][8]
- '''CCA 꼬리'''는 tRNA 분자의 3' 말단에 있는 시토신-시토신-아데닌 서열이다. 아미노아실 tRNA 합성효소에 의해 tRNA에 로딩된 아미노산은 아미노아실-tRNA를 형성하기 위해 CCA 꼬리의 3'-수산기에 공유 결합한다.[9] 이 서열은 효소에 의한 tRNA 인지에 중요하며 번역에 결정적이다.[10][11]
- '''D 루프'''는 종종 다이하이드로우라실을 포함하는 루프로 끝나는 4~6bp 줄기이다.[6]
- '''안티코돈 루프'''는 루프에 안티코돈을 포함하는 5bp 줄기이다.[6]
- '''TΨC 루프'''는 루프에 특징적으로 비정상적인 염기 Ψ, 즉 슈도유리딘, 변형된 우리딘이 존재하기 때문에 그렇게 명명되었다. 변형된 염기는 종종 서열 5'-TΨCGA-3' 내에서 발견되며, T(리보티미딘, m5U)와 A는 염기 쌍을 형성한다.[13]
- '''가변 루프'''는 안티코돈 루프와 ΨU 루프 사이에 위치하며, 이름에서 알 수 있듯이 3~21개의 염기에서 크기가 다양하다.
2. 3. 변형 염기
tRNA 분자의 많은 뉴클레오타이드는 메틸화 또는 탈아미드화에 의해 화학적으로 변형될 수 있다.[4] 이러한 특이한 염기는 tRNA와 리보솜의 상호 작용에 영향을 미치기도 하고, 안티코돈에서 발생하여 염기 쌍 형성 특성을 변경하기도 한다.[4]tRNA 전체의 몇몇 위치에는, 특히 메틸화(예: tRNA (guanine-N7-)-methyltransferase|tRNA(구아닌-N7)-)-메틸트랜스퍼라제|tRNA(구아닌-N7)-)-메틸트랜스퍼라제영어에 의한)에 의해 변형된 염기가 존재한다. 첫 번째 안티코돈 염기, 즉 "와블 위치"는 이노신(아데닌 유래), Queuosine|큐오신영어(구아닌 유래), 우리딘-5-옥시아세트산(우라실 유래), 5-메틸아미노메틸-2-티오우리딘(우라실 유래), Lysidine (nucleoside)|라이시딘영어(시토신 유래)으로 변형될 수 있다.[114]
3. 안티코돈
운반 RNA(tRNA)의 가운데 고리를 이루는 구간에는 안티코돈을 형성하는 뉴클레오타이드 염기 서열이 있다. 이 염기 서열은 리보솜에서 전령 RNA(mRNA)의 코돈과 상보적으로 결합하여 단백질 사슬에 아미노산을 결합시킨다.[189]
안티코돈[16]은 mRNA 유전 암호의 세 염기에 해당하는 세 뉴클레오타이드 단위이다. 각 tRNA는 아미노산에 대한 하나 이상의 코돈에 3개의 상보적인 염기쌍을 형성할 수 있는 고유한 안티코돈 삼중체 서열을 갖는다. 일부 안티코돈은 워블 염기쌍으로 인해 둘 이상의 코돈과 쌍을 이룬다. 종종 안티코돈의 첫 번째 뉴클레오타이드는 mRNA에서 발견되지 않는 이노신이며, 이는 해당 코돈 위치에서 둘 이상의 염기에 수소 결합할 수 있다.[4]
유전 암호에서 하나의 아미노산이 네 가지 세 번째 위치 가능성 모두 또는 적어도 피리미딘과 퓨린 모두에 의해 지정되는 것이 일반적이다. 예를 들어 아미노산 글리신은 코돈 서열 GGU, GGC, GGA 및 GGG에 의해 암호화된다. "워블 위치"라고도 하는 첫 번째 안티코돈 위치에 다른 변형된 뉴클레오타이드가 나타날 수도 있으며, 예를 들어 미토콘드리아에서 유전 암호에 미묘한 변화를 가져올 수 있다.[17]
워블 염기의 가능성은 필요한 tRNA 유형 수를 줄인다. 표준 유전 암호의 각 센스 코돈에 대해 하나씩 61개의 유형이 있는 대신, 61개의 센스 코돈을 모두 모호하지 않게 번역하려면 31개의 tRNA만 필요하다.[3][18]
tRNA 분자의 많은 개별 뉴클레오티드는 종종 메틸화 또는 탈아미드화에 의해 화학적으로 변형될 수 있다. 이러한 특이한 염기는 때때로 tRNA와 리보솜의 상호 작용에 영향을 미치며, 때때로 안티코돈에서 발생하여 염기쌍 형성 특성을 변경한다.[4]
4. 아미노아실화
아미노아실화는 아미노산을 tRNA 분자의 CCA 3' 말단에 공유 결합시키는 과정이다.[22] 각 tRNA는 아미노아실 tRNA 합성효소에 의해 특정 아미노산으로 아미노아실화(또는 '충전')된다.[22] 일반적으로 각 아미노산마다 하나의 아미노아실 tRNA 합성효소가 존재하지만, 아미노산에 대해 여러 개의 tRNA와 여러 개의 안티코돈이 존재할 수 있다.[22] 합성효소에 의한 적절한 tRNA의 인식은 안티코돈뿐만 아니라, 수용체 줄기도 중요한 역할을 한다.[22]
아미노아실화 반응은 다음과 같이 진행된다.
# 아미노산 + ATP → 아미노아실-AMP + PPi
# 아미노아실-AMP + tRNA → 아미노아실-tRNA + AMP[22]
어떤 생물체는 하나 이상의 아미노아실-tRNA 합성효소가 없을 수 있다. 예를 들어, ''헬리코박터 파일로리''는 글루타미닐 tRNA 합성효소가 없다. 이 경우 글루탐산 tRNA 합성효소가 글루탐산으로 tRNA-글루타민(tRNA-Gln)을 충전하고, 아미도트랜스퍼라제가 글루탐산의 산 측쇄를 아미드로 전환하여 올바르게 충전된 gln-tRNA-Gln을 형성한다.[100]
아미노아실화 과정의 오류는 일부 질병 치료와 관련이 있을 수 있다. 암세포는 건강한 세포에 비해 아미노아실화 교란에 비교적 취약하며, 암 및 바이러스 생물학과 관련된 단백질 합성은 특정 tRNA 분자에 크게 의존한다. 예를 들어, 간암의 경우 tRNA-Lys-CUU에 라이신을 충전하는 것은 간암 세포의 성장과 전이를 유지하지만, 건강한 세포는 이 tRNA에 대한 의존성이 낮다.[100] E형 간염 바이러스도 감염되지 않은 세포와 다른 tRNA 환경을 필요로 한다.[101] 따라서 특정 tRNA 종의 아미노아실화 억제는 다양한 질병의 치료를 위한 새로운 방법으로 여겨진다.
5. 리보솜과의 결합
아미노아실-tRNA는 신장 인자와 함께 리보솜의 A, P, E 자리에 결합하여 단백질 합성에 참여한다.[190]
- A 자리 (아미노아실 자리): 아미노아실-tRNA가 결합하는 자리이다.[24]
- P 자리 (펩티딜 자리): 펩타이드 사슬이 결합된 tRNA가 위치하는 자리이다.[24]
- E 자리 (출구 자리): 아미노산을 전달한 tRNA가 리보솜에서 떨어져 나가는 자리이다.[24]
리보솜에는 tRNA 분자에 대한 세 개의 결합 부위가 있는데, 이들은 작은 리보솜 소단위체와 큰 리보솜 소단위체 사이의 공간에 걸쳐 있다. 즉, A(아미노아실),[24] P(펩티딜),[24] 및 E(출구) 부위[24]이다.
번역 개시가 완료되면 첫 번째 아미노아실 tRNA는 P/P 부위에 위치한다. 번역 신장 동안 tRNA는 먼저 신장 인자 Tu (EF-Tu) 또는 진핵생물(eEF-1)이나 고세균 대응물과 복합체를 이루어 리보솜에 결합한다. 이 초기 tRNA 결합 부위를 A/T 부위라고 한다. A/T 부위에서 A 부위 절반은 mRNA 해독 부위가 위치한 작은 리보솜 소단위체에 있다. T 부위 절반은 주로 EF-Tu 또는 eEF-1이 리보솜과 상호 작용하는 큰 리보솜 소단위체에 있다.
mRNA 해독이 완료되면 아미노아실-tRNA는 A/A 부위에 결합하고, 다음 펩타이드 결합[27]이 부착된 아미노산에 형성될 준비가 된다. A/A 부위에 결합된 아미노아실-tRNA에 성장하는 폴리펩타이드를 전달하는 펩티딜-tRNA는 P/P 부위에 결합된다. 펩타이드 결합이 형성되면 P/P 부위의 tRNA는 자유 3' 말단을 가지며, A/A 부위의 tRNA는 성장하는 폴리펩타이드 사슬을 해리한다.
다음 신장 주기를 위해 tRNA는 하이브리드 A/P 및 P/E 결합 부위를 거쳐 P/P 및 E/E 부위에 위치한다. A/A 및 P/P tRNA가 P/P 및 E/E 부위로 이동하면 mRNA도 한 개의 코돈만큼 이동하고 A/T 부위가 비어 다음 mRNA 해독을 준비한다. E/E 부위에 결합된 tRNA는 리보솜을 떠난다.
6. tRNA 유전자
생물체는 게놈 내의 tRNA 유전자 수에서 차이를 보인다. 예를 들어, 선충의 일종인 예쁜꼬마선충은 핵 게놈에 29,647개의 유전자를 가지고 있으며, 이 중 620개가 tRNA를 암호화한다.[29][30] 출아 효모는 게놈에 275개의 tRNA 유전자를 가지고 있다. 제브라피쉬와 같은 복잡한 진핵생물 게놈은 1만 개 이상의 tRNA 유전자를 가질 수 있다.[38]
2013년 1월 추정치에 따르면, 인간 게놈에는 세포질 tRNA 분자를 암호화하는 497개의 핵 유전자와 324개의 tRNA 유래 가짜 유전자가 있다.[32] 인간은 22개의 미토콘드리아 tRNA 유전자를 가지고 있다.[34] 이러한 유전자 중 일부의 돌연변이는 MELAS 증후군과 같은 심각한 질병과 관련이 있다. 미토콘드리아 tRNA 유전자와 염기서열이 매우 유사한 핵 염색체의 영역도 확인되었는데, tRNA 유사체라고 불리며, 핵 미토콘드리아 DNA의 일부로 간주된다.[35][36]
세포질 tRNA 유전자는 안티코돈 특징에 따라 49개 패밀리로 그룹화할 수 있다. 이러한 유전자는 22번 및 Y 염색체를 제외한 모든 염색체에서 발견된다. 6번 염색체에서 140개의 tRNA 유전자가 높은 클러스터링을 보이며, 1번 염색체에서도 클러스터링이 관찰된다.[32]
HGNC는 Genomic tRNA Database ([http://gtrnadb.ucsc.edu/ GtRNAdb]) 및 해당 분야 전문가와 협력하여 tRNA를 암호화하는 인간 유전자에 대한 고유한 이름을 승인했다.
7. tRNA 생합성
진핵생물 세포에서 tRNA는 핵 내에서 RNA 중합효소 III에 의해 pre-tRNA로 전사된다.[77] RNA 중합효소 III는 tRNA 유전자 내의 5' 내부 유전자 조절 영역(5'-ICR, D-조절 영역 또는 A 상자)과 3'-ICR(T-조절 영역 또는 B 상자)의 두 가지 주요 프로모터 서열을 인식한다.[2][78][79] 전사는 4개 이상의 티미딘이 연속되는 구간 후에 종료된다.[2][79]
pre-tRNA는 핵 내부에서 여러 변형을 거친다. 일부 pre-tRNA는 인트론을 포함하며, 이는 스플라이싱 또는 절단을 통해 제거되어 기능적인 tRNA 분자를 형성한다.[80] 진핵생물과 고세균에서는 tRNA-스플라이싱 엔도뉴클레아제에 의해 제거된다.[81] 진핵생물 pre-tRNA는 엔도뉴클레아제에 의한 tRNA 인트론의 인식 및 정확한 스플라이싱에 중요한 돌출-나선-돌출(BHB) 구조 모티프를 포함한다.[82] 5' 서열은 RNase P에 의해 제거되는 반면,[83] 3' 말단은 tRNase Z 효소에 의해 제거된다.[84] 뉴클레오티딜 전이효소에 의해 비주형 3' CCA 꼬리가 추가된다.[86]
tRNA가 Los1/Xpo-t에 의해 수출되기 전에,[87][88] tRNA는 아미노아실화된다.[89] 처리 과정의 순서는 보존되지 않는다. 예를 들어, 효모에서는 스플라이싱이 핵 내가 아닌 미토콘드리아 막의 세포질 측에서 수행된다.[90]
8. tRNA 유래 절편 (tRF)
tRNA 유래 절편(tRNA-derived fragments, tRF)은 성숙한 tRNA 또는 전구체 tRNA가 절단되어 생성되는 짧은 RNA 분자이다.[51][52][53][54] 세포질 및 미토콘드리아 tRNA 모두에서 절편이 생성될 수 있다.[55]
종류성숙한 tRNA에서 유래하는 것으로 여겨지는 tRF에는 최소 4가지 구조적 유형이 있다.[51][55][56]
- 비교적 긴 tRNA 반쪽
- 짧은 5'-tRF
- 3'-tRF
- i-tRF
전구체 tRNA는 절단되어 5' 리더 또는 3' 트레일 서열에서 분자를 생성할 수 있다.
생성 효소tRF 생성에 관여하는 절단 효소는 다음과 같다.[51][52]
- 안지오제닌(Angiogenin)
- 다이서(Dicer)
- RNase Z
- RNase P
특히 안지오제닌에 의해 절단된 tRF는 3' 말단에 고리형 인산염과 5' 말단에 하이드록실기를 갖는 특징이 있다.[57] 안지오제닌에 의해 절단된 tRNA 반쪽은 tiRNA라고도 알려져 있다.
기능tRF는 다음과 같은 다양한 생물학적 기능을 수행하는 것으로 알려져 있다.
- RNA 간섭에 관여, 특히 tRNA를 복제 프라이머로 사용하는 레트로바이러스 및 레트로트랜스포존 억제.[58]
- Ago에 로드되어 RNAi 경로를 통해 작용.[53][56][61]
- 스트레스 과립 형성에 참여.[62]
- RNA 결합 단백질로부터 mRNA를 대체.[63]
- 번역 억제.[64]
- 바이러스 감염,[65] 암,[56] 세포 증식[57] 및 대사의 후성 유전학적 세대 간 조절과 관련.[66]
tRF는 인간뿐만 아니라 여러 유기체에서 존재하는 것으로 나타났다.[56][67][68][69]
tRF에 대해 더 자세히 알고 싶은 사용자는 다음의 두 가지 온라인 도구를 이용할 수 있다.
- mi토콘드리아 및 n핵 tRNA 절편의 상호 작용 탐색 프레임워크([https://cm.jefferson.edu/MINTbase/ MINTbase])[70][71]
- T전사 RRNA 관련 F절편의 관계형 데이터베이스([http://genome.bioch.virginia.edu/trfdb/ tRFdb]).[72]
MINTbase는 또한 [https://cm.jefferson.edu/MINTcodes/ tRF-license plates] (또는 MINTcodes)라는 tRF 명명 체계를 제공하며, 이는 유전체 독립적이다. 이 체계는 RNA 서열을 더 짧은 문자열로 압축한다.
9. 합성 tRNA (Engineered tRNA)
안티코돈 및/또는 수용체 줄기가 변형된 tRNA는 유전 암호를 수정하는 데 사용될 수 있다. 과학자들은 개시(시작 코돈 참조)와 신장 모두에서 아미노산(자연 및 새로운)을 수용하도록 코돈(의미 및 종결)을 성공적으로 재사용했다.
1990년, tRNAfMet2 (tRNAfMet2 유전자 [https://ecocyc.org/gene?orgid=ECOLI&id=EG30061 metY]에서 수정됨)가 ''대장균''에 삽입되어 강한 샤인-달가노 서열이 선행되는 경우 UAG 종결 코돈에서 단백질 합성을 시작하게 했다. 개시 시 전통적인 포르밀메티오닌뿐만 아니라 포르밀글루타민도 삽입했는데, 글루타밀-tRNA 합성효소가 새로운 tRNA도 인식하기 때문이다.[73] 1993년, 이 실험은 메티오닐-tRNA 포르밀전이효소에 의해 인식되도록 수정된 신장 tRNA를 사용하여 반복되었다.[74] 비슷한 결과가 ''미코박테리움''에서 얻어졌다.[75] 이후 실험에서 새로운 tRNA가 일반 AUG 개시 코돈에 직교하여 게놈 재코딩된 ''대장균'' 균주에서 감지 가능한 표적 외 번역 개시 이벤트가 없음을 보여주었다.[76]
합성 억제 신장 tRNA는 유전자의 코드 배열에 배치된 넌센스 코돈에 Expanded genetic code|비천연 아미노산영어을 삽입하는 데 사용된다. 앰버 종결 코돈 UAG에서 번역을 시작하기 위해, 합성 개시 tRNA([https://ecocyc.org/gene?orgid=ECOLI&id=EG30061 metY] 유전자가 코딩하는 CUA 안티코돈을 가진 tRNAfMet2)가 사용된다. 이러한 종류의 합성 tRNA(''engineered tRNA'')는 UAG 코돈에서 일반적으로 일어나는 번역 정지 신호를 억제하므로, Nonsense suppressor|넌센스 억제자영어 tRNA라고 불린다. 앰버 개시 tRNA는 강력한 샤인-달가노 배열이 선행하는 UAG 코돈에 메티오닌[164]과 글루타민[165]을 삽입한다. 이 앰버 개시 tRNA 연구를 통해, 이 계는 일반적인 AUG 개시 코돈과 직교하며, 게놈 재코딩된 대장균 균주에서 오프 타겟 번역 개시 이벤트가 감지되지 않는다는 것이 밝혀졌다.[164]
10. 역사
프랜시스 크릭은 RNA의 언어를 단백질의 언어로 번역하는 것을 중재할 수 있는 어댑터 분자가 존재해야 한다는 "어댑터 가설"을 처음으로 제안했다. 폴 C. 자메크닉, 맬런 호글랜드, 메리 루이즈 스티븐슨이 tRNA를 발견했다.[91][92][93] 1960년대 초, 보스턴의 알렉스 리치와 도널드 캐스퍼, 프린스턴 대학교의 자크 프레스코 그룹, 영국 킹스 칼리지 런던의 연구 그룹이 tRNA 구조에 대한 연구를 수행했다.[94] 1965년, 코넬 대학교의 로버트 W. 홀리가 tRNA의 1차 구조를 보고하고 세 개의 2차 구조를 제시했다.[95] tRNA는 위스콘신주 매디슨에서 로버트 M. 복에 의해 처음 결정화되었다.[96] 클로버잎 구조는 그 후 몇 년 동안 여러 연구를 통해 확인되었으며[97] 1974년 X선 결정학 연구를 통해 최종적으로 확인되었다. 알렉산더 리치 밑에서 연구한 김성후와 에런 클루그가 이끄는 영국 연구진, 두 독립적인 그룹이 1년 안에 동일한 결정학적 발견을 발표했다.[98][99]
참조
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분자생물학
기전연구사
2006
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